F. BozzaM.C. Cameretti R. Tuccillo 52° Congresso Nazionale A.T.I. Villa Erba, Cernobbio, Settembre 1997 Dipartimento di Ingegneria Meccanica per l’Energetica (D.I.M.E.) Università di Napoli “Federico II” Naples, Italy

E’ presentato un metodo per l’impiego coordinato di due tipologie di modelli di MCI: Un modello di Flusso 1D nei condotti Un modello 3D nel cilindro motore Introduzione Consentire un’analisi dei fenomeni interni al cilindro senza dover rinunciare allo studio del comportamento dell’intero sistema Un esempio di applicazione: Attivazione del sistema di ricircolo dei gas di scarico (EGR) per il contenimento degli NO in un MCI diesel turbo-sovralimentato Obiettivo della procedura: Bozza, Cameretti e Tuccillo, DIME, Univ. di Napoli Una procedura di integrazione tra modelli…,p.2 / 21 52° Congresso Nazionale A.T.I. Villa Erba, Cernobbio, Settembre 1997

Introduzione Caratteristiche e Schema del Motore: Sommario: Modello completo del motore Descrizione Modello di Flusso 1D Calcolo Giunzioni e Test-Case Simulazione 1D del motore (senza EGR) Procedura integrata Modifiche al Modello 3D (KIVA II) Applicazione al funzionamento con EGR Risultati e conclusioni Bozza, Cameretti e Tuccillo, DIME, Univ. di Napoli Una procedura di integrazione tra modelli…,p.3 / 21 52° Congresso Nazionale A.T.I. Villa Erba, Cernobbio, Settembre 1997

Modello completo del sistema Mappe del Turbocompressore: da prove effettuate all’Università di Genova Codice di tipo modulare in grado di simulare le principali configurazioni motoristiche: Modello di Flusso 1D nei condotti Tecnica “Filling&Emptying” nei cilindri Correlazioni teorico-sperimentali per la simulazione della combustione Equilibrio dinamico del Turbocompressore mediante l’impiego delle mappe operative Bozza, Cameretti e Tuccillo, DIME, Univ. di Napoli Una procedura di integrazione tra modelli…,p.4 / 21 52° Congresso Nazionale A.T.I. Villa Erba, Cernobbio, Settembre 1997

Schema upwind ai Volumi Finiti del 2° Ordine Tecnica Total Variation Diminishing (TVD) Modello di Flusso 1D Condizioni al contorno: Equazioni di trasporto scalare della frazione di gas residui x r e di combustibile x f per il calcolo corretto della composizione Bozza, Cameretti e Tuccillo, DIME, Univ. di Napoli Una procedura di integrazione tra modelli…,p.5 / 21 52° Congresso Nazionale A.T.I. Villa Erba, Cernobbio, Settembre 1997

Modello di Bingham & Blair: Flusso entrante: Flusso uscente: Calcolo Giunzioni Giunzione generica: Modelli della Giunzione: A pressione costante: Correlazione Sperimentale Bozza, Cameretti e Tuccillo, DIME, Univ. di Napoli Una procedura di integrazione tra modelli…,p.6 / 21 52° Congresso Nazionale A.T.I. Villa Erba, Cernobbio, Settembre 1997

Verifica Modello 1D Test-case: Flusso in un condotto di scarico di un motore diesel monocilindro: Nessuna correzione è stata introdotta per le lunghezze dei 3 rami del condotto Parametri numerici: Bozza, Cameretti e Tuccillo, DIME, Univ. di Napoli Una procedura di integrazione tra modelli…,p.7 / 21 52° Congresso Nazionale A.T.I. Villa Erba, Cernobbio, Settembre 1997

Risultati Test-case Giunzione: Modello a pressione costante Schema TVD presente lavoro Giunzione: Modello a pressione costante Schema ENO-SR da Giannattasio [12] Bozza, Cameretti e Tuccillo, DIME, Univ. di Napoli Una procedura di integrazione tra modelli…,p.8 / 21 52° Congresso Nazionale A.T.I. Villa Erba, Cernobbio, Settembre 1997

Giunzione: Modello di Bingham&Blair Schema TVD presente lavoro Giunzione: Correlaz. Sper. di Dadone [14] Schema TVD presente lavoro Risultati Test-case Bozza, Cameretti e Tuccillo, DIME, Univ. di Napoli Una procedura di integrazione tra modelli…,p.9 / 21 52° Congresso Nazionale A.T.I. Villa Erba, Cernobbio, Settembre 1997

Risultati Test-case Giunzione: Modello di Bingham&Blair Schema TVD presente lavoro Giunzione: Modello a pressione costante Schema ENO-SR da Giannattasio [12] Bozza, Cameretti e Tuccillo, DIME, Univ. di Napoli Una procedura di integrazione tra modelli…,p.10 / 21 52° Congresso Nazionale A.T.I. Villa Erba, Cernobbio, Settembre 1997

Simulazione 1D del Motore pluricilindro Pressione, bar Vel. Turbocompr., rpmx10 -3 Bozza, Cameretti e Tuccillo, DIME, Univ. di Napoli Una procedura di integrazione tra modelli…,p.11 / 21 52° Congresso Nazionale A.T.I. Villa Erba, Cernobbio, Settembre 1997

Simulazione 1D del Motore pluricilindro 3000 giri/min Coppia Max. Pressione, bar Bozza, Cameretti e Tuccillo, DIME, Univ. di Napoli Una procedura di integrazione tra modelli…,p.12 / 21 52° Congresso Nazionale A.T.I. Villa Erba, Cernobbio, Settembre 1997

Simulazione 1D del Motore pluricilindro Prestazioni complessive: Bozza, Cameretti e Tuccillo, DIME, Univ. di Napoli Una procedura di integrazione tra modelli…,p.13 / 21 52° Congresso Nazionale A.T.I. Villa Erba, Cernobbio, Settembre 1997

Necessità di una procedura integrata La validità delle correlazioni impiegate per la simulazione della combustione è limitata a condizioni operative normali In condizioni operative non convenzionali (ad es. con EGR) o per il calcolo anche delle emissioni è opportuno utilizzare modelli Fluidodinamici 3D dei fenomeni nel cilindro Limiti dell’approccio descritto: Elevati tempi di calcolo possono limitare l’analisi alla sola fase a valvole chiuse Problemi dei modelli 3D: E’ necessario conoscere lo stato termo- dinamico iniziale a chiusura valvola di aspirazione (CVA) e quindi le condizioni operative del sovralimentatore Bozza, Cameretti e Tuccillo, DIME, Univ. di Napoli Una procedura di integrazione tra modelli…,p.14 / 21 52° Congresso Nazionale A.T.I. Villa Erba, Cernobbio, Settembre 1997

La legge di rilascio del calore di combust. e quello trasferito alle pareti sono desunti dal calcolo 3D (KIVA) : Procedura Integrata Condizioni Iniziali P,T,m,EGR a CVA KIVA Mod. 1D Nuove Condizioni a CVA ? Convergenza Legge di rilascio del calore La procedura integrata proposta consente di superare i limiti di entrambi i modelli Bozza, Cameretti e Tuccillo, DIME, Univ. di Napoli Una procedura di integrazione tra modelli…,p.15 / 21 52° Congresso Nazionale A.T.I. Villa Erba, Cernobbio, Settembre 1997

Il Modello 3D Si utilizzano, per la velocità di iniezione, dati sperimentali di alzata spillo e press. di iniez. Si è utilizzato il codice KIVA II modificato dagli autori in diversi sottomodelli: Processo di iniezione del combustibile Calcolo del tempo di ritardo all’accensione Processo di formazione dei NO termici Iniezione del combustibile: E’ stata introdotta la correlazione di Stringer Tempo di ritardo all’accensione: Algoritmo per il calcolo dei NO: Le equazioni dello schema cinetico di Zel’dovich sono risolte simulataneamente utilizzando un metodo predittore-correttore Bozza, Cameretti e Tuccillo, DIME, Univ. di Napoli Una procedura di integrazione tra modelli…,p.16 / 21 52° Congresso Nazionale A.T.I. Villa Erba, Cernobbio, Settembre 1997

Applicazione al funzionamento con EGR Mod. 1D KIVA Calcolo completamente teorico delle condizioni operative del motore in presenza di EGR (a pari massa di combust. iniettato) L’intera procedura ha richiesto 3 calcoli 3D (EGR-1, -2, -3) ed altrettanti run del mod. 1D Condizioni operative ottenute: Bozza, Cameretti e Tuccillo, DIME, Univ. di Napoli Una procedura di integrazione tra modelli…,p.17 / 21 52° Congresso Nazionale A.T.I. Villa Erba, Cernobbio, Settembre 1997

Applicazione al funzionamento con EGR Vel. Turbo., rpmx10 -3 Cicli di Calcolo Pressione, bar Angolo di Manovella, gradi aspirazione scarico Bozza, Cameretti e Tuccillo, DIME, Univ. di Napoli Una procedura di integrazione tra modelli…,p.18 / 21 52° Congresso Nazionale A.T.I. Villa Erba, Cernobbio, Settembre 1997

Applicazione al funzionamento con EGR Pressione, bar Temperatura, K Angolo di Manovella, gradi Concentraz. di NO, ppm Rilascio del calore netto Angolo di Manovella, gradi Bozza, Cameretti e Tuccillo, DIME, Univ. di Napoli Una procedura di integrazione tra modelli…,p.19 / 21 52° Congresso Nazionale A.T.I. Villa Erba, Cernobbio, Settembre 1997

Distribuzione di NO in camera di combustione 10° dPMS [NO] ppm A A Sez. A-A Sez. B-B B B EGR=0 EGR-3 Bozza, Cameretti e Tuccillo, DIME, Univ. di Napoli Una procedura di integrazione tra modelli…,p.20 / 21 52° Congresso Nazionale A.T.I. Villa Erba, Cernobbio, Settembre 1997

Conclusioni Si è messo a punto e verificato un modello di Flusso 1D incluso poi in un modello generale per motori diesel sovralimentati I risultati della simulazione del motore in condizioni di funzionamento normali sono in buon accordo con la sperimentazione La procedura integrata per l’analisi del funzionamento con EGR ha consentito di superare i classici limiti dei modelli adoperati Lo scambio reciproco di informazioni tra mod. 1D e 3D permette in definitiva di incrementare l’accuratezza complessiva del calcolo. Modello 1D completo del motore: Procedura integrata 1D - 3D: Bozza, Cameretti e Tuccillo, DIME, Univ. di Napoli Una procedura di integrazione tra modelli…,p.21 / 21 52° Congresso Nazionale A.T.I. Villa Erba, Cernobbio, Settembre 1997

Pressione, bar Vel. Turbocompr., rpmx10 -3 Simulazione 1D del Motore pluricilindro Pressione, bar Bozza, Cameretti e Tuccillo, DIME, Univ. di Napoli Una procedura di integrazione tra modelli…,p.22 / 23 52° Congresso Nazionale A.T.I. Villa Erba, Cernobbio, Settembre 1997